241

9 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

9.1 Термомагнитные материалы

Термомагнитными называют материалы с сильной зависимостью магнитной индукции насыщения от температуры в определенном интервале температур (в большинстве случаев приблизительно -60 — +60° С). Термомагнитные материалы используют:

-в качестве магнитных шунтов или магнитных добавочных сопротивлений (терморегулирование магнитных потоков);

-в качестве датчиков в индукционных печах для поддержания заданной температуры;

-в виде сердечников термореле, момент срабатывания которых зависит от температуры.

К термомагнитным материалам предъявляют следующие специальные требования:

1) Крутой ход термомагнитной характеристикиB=f(Т) при H=const, то

есть высокий коэффициент чувствительности a = ¶B/¶Т.

2)Большое значение индукции насыщения, что уменьшает необходимую площадь поперечного сечения термоэлементов;

3)Малые значения напряженности поля, необходимые для насыщения;

4)Определенная форма термомагнитной характеристики, соответствующая задаче (линейная, гиперболическая, параболическая и т. д.);

5)Высокая воспроизводимость характеристик.

Термомагнитные материалы могут быть либо однородными сплавами, либо многослойными материалами. Поскольку наибольшая зависимость индукции от температуры для ферромагнетиков наблюдается в области, близкой к точке Кюри, то последняя для термомагнитных сплавов должна находиться вблизи от рабочих(комнатных) температур. Из ферромагнитных материалов-элементов лучше всего этому соответствует никель(ТК=350°С). Материалы с еще более низкой точкой Кюри могут быть получены введением в никель немагнитных присадок. К термомагнитным сплавам относятсяNi-

характеристик. Термомагнитные сплавы изготавливают в виде горячекатаных

242

или кованых прутков диаметром10—80 мм без окончательной термической обработки.

Многослойные термомагнитные материалы получают при совместной прокатке листов или полос из термомагнитных сплавов различног химического состава, то есть с различными термомагнитными свойствами. Подбирая соответствующим образом исходные сплавы и толщину полос,

Такие вибраторы используют в технологических установках по обработке ультразвуком (механическая обработка хрупких и твердых материалов, обезжиривание и др.), в эхолотах, дефектоскопах, а также в некоторых радиотехнических схемах и устройствах(взамен пьезоэлектриков для стабилизации частоты, в электромеханических фильтрах и т. д.).

Поскольку относительная деформация материала в статическом поле определяется величиной индукции, которая ограничена значением насыщения, то имеется и предельное статическое значение относительной деформации (рисунок 9.1, а), называемое коэффициентом магнитострикции ls=Dls/l (где l— длина стержня из магнитного материала при отсутствии поля, Dls—изменение длины под действием поля в условиях насыщения индукции). Это - главный параметр магнитострикционных материалов (МСМ).

243

Коэффициент магнитострикции для различных МСМ может быть как отрицательным, так и положительным. У сплавов Pt-Fe, Co-Fe, Al-Fe, Al-Ni-Co-V он положителен (растягивающая деформация), у никеля и никелевых ферритов он отрицателен (деформация сжатия).

К МСМ предъявляются следующие требования( скобках даны требования, непосредственно связанные с указанными).

1)Высокие значения ls (высокие амплитуды колебаний).

2)Высокая крутизна зависимости Dl/l=l(Н) (быстрый выход на режим насыщения, при малых значениях напряженности возбуждающего поля).

3)Малые магнитные потери(малые значения коэрцитивной силы, большие удельные сопротивления).

3)Высокая механическая прочность (устойчивость к деформациям).

4)Коррозионная стойкость (долговечность при работе в воде в составе эхолокаторов).

5)Относительно низкая стоимость.

Наибольшей магнитострикцией (ls>+10-4) обладает сплав 54%Pt 46%Fe, однако его применение в технике ограничено из-за высокой стоимости. Редко применяют также железокобальтовые сплавы (пермендюры), что объясняется их малой коррозионной стойкостью и большой стоимостью.

Наиболее широко в качестве магнитострикционных материалов применяют никель, никель-кобальтовые ферриты и реже железоалюминиевый сплав

алфер.

Рисунок 9.1 - Изменение относительной деформации МСМ при воздействии медленно изменяющегося (статического) магнитного поля (а) и поля с частотой резонанса (б).

Никель имеет относительно большой отрицательный коэффициент магнитострикции ls= -3,5×10—5. Обычно применяют никель толщиной 0,1 мм

в виде жесткой неотожженной ленты. После вырубки, пластины оксидируют нагреванием на воздухе до 800°С в течение 15—25 мин. Образованная таким образом оксидная пленка служит для электрической изоляции пластин при сборке пакета.

244

В силу своей хрупкостимагнитострикционные ферриты реже используются как излучатели звуковых волн. Более широкое применение они нашли в прецизионных фильтрах, поскольку низкие магнитные потери в ферритах обуславливают высокую добротность устройства. Чаще используют никелевые ферриты с различными присадками (кобальт, медь и др.).

Значения предельной статической деформации весьма невелики, поэтому МСМ эксплуатируются, как правило, в режиме резонанса. Поскольку МС¾ эффект четный (знак деформации не зависит от направления поля), размеры и форма МС соответствуют частоте механического резонанса, в два раза большей частоты возбуждения сердечника(рисунок 9.1, б). При этом,

относительная амплитуда колебаний может превосходить значенияl на

s

несколько порядков.

9.3 Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса

Магнитные материалы спрямоугольной петлей гистерезиса(ППГ) находят применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре связи. Сердечники из материала с ППГ имеют, фактически, два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляются переключением сердечника из одного магнитного состояния

245

ферритов с ППГ наиболее широкое применение находят феррошпинелиLi-

магнитострикцией. В этом случае процессы перемагничивания происходят главным образом за счет смещения доменных границ. Сохранение большой остаточной намагниченности после снятия внешнего поля объясняется локализацией доменных границ на микронеоднородностях структуры. Такими неоднородностями могут быть области с разной степенью обращенности шпинели, вакансии и связанные с ними комплексы, междоузельные атомы и др.

В зависимости от особенности устройств, которых применяются ферриты с ППГ, требования, предъявляемые к ним, могут существенно различаться. Так, ферриты, предназначенные для коммутационных и логических элементов схем автоматического управления, должны иметь малую коэрцитивную силу (10—20 А/м). Наоборот, материалы, используемые в устройствах хранения дискретной информации, должны иметь повышенное значение Нс (100—300 А/м). Существенный недостаток ферритов с ППГтемпературная нестабильность в отношении коэрцитивной силы, остаточной индукции и коэффициента прямоугольности.

высокую температурную стабильность. Однако, прокатка микронной ленты, ее термообработка, требующая вакуума или атмосферы инертного газа, также изготовление из ленты сердечников значительно сложнее, чем изготовление изделий из ферритов. Для приобретения требуемых свойств ленты подвергаются дополнительной механической обработке(например,

растяжению). При этом характер перемагничивания несколько иной по

доменов зарождаются домены с противоположной ориентацией магнитных моментов, интенсифицирующие перемагничивание материала.

В последнее время все большее значение приобретаюттонкие ферромагнитные пленки, наносимые на подложки методами распыления в вакууме. Они обладают термостабильными свойствами, обеспечивают меньшие времена перемагничивания(менее 10-8с) и высокую степень интеграции. Методы получения этих материалов относительно дешевы. Очевидно, что магнитные свойства пленки должны сильно отличаться от свойств массивного материала, если ее толщина будет соизмерима, или меньше чем характерные размеры доменов в массивном материале. С уменьшением толщины пленки наблюдаются следующие тенденции:

1) Вектор спонтанной намагниченности стремится расположиться в плоскости пленки.

246